Poröse, keramische Elektrolyte in Natrium-Ionen-Batterien

Im Projekt wird der neue Ansatz verfolgt, poröses ß“‑Aluminat als Elektrolyt für Na/NiCl2-Batterien zu etablieren. Hierbei wird auf Syntheserouten zur Herstellung mikro- bis makroporöser, offenporiger Trägermaterialien zurückgegriffen. Die Nutzung von porösem ß“‑Aluminat führt zu geringeren Betriebstemperaturen und höheren Leistungsdichten. Dies geschieht über einen verminderten, effektiven Ionenwiderstand. Hierfür ist die Entwicklung eines neuartigen Festkörper-Elektrolyten für Natrium-Ionen nötig. Innerhalb des Projektes soll die Synthese des porös geträgerten ß“‑Aluminat auf verschiedenen Routen (Sol-Gel, AAO, CPK) erstmalig etabliert werden. Kompakte, offenporige Monolithe aus ß“-Aluminat mit definierter Porosität sind zum jetzigen Zeitpunkt nicht bekannt. Ein innovativer, alternativer Ansatz ist die Herstellung von porösen Glaskeramiken über die CPG-Technologie. Durch diesen Prozess wird ein Glas erhalten, welches zur Phasenseparation und Bildung von ß“‑Aluminat neigt. Poröse Gläser und Glaskeramiken zeigen eine höhere thermische sowie chemische Stabilität als Sol-Gel-Materialien. In einem dritten Ansatz sollen amorphe AAO-Membranen durch Wärmebehandlung in “-Aluminat umgewandelt werden. Im Vergleich zu den Sol-Gel- bzw. Glaskeramik-Materialien werden anisotrope, parallel orientierte Poren gebildet. Die Erzeugung der ß“-Aluminat Phase kann direkt oder über eine zweistufige Transformation über die α-Aluminiumoxid Phase erfolgen.

Das Teilprojektvorhaben der Universität Leipzig lässt sich in vier Arbeitsschwerpunkten zusammenfassen:

(I) Der erste wesentliche Schwerpunkt bildet die Entwicklung neuartiger makroporöser Trägermaterialien aus β“-Aluminat mit kontrollierter Porosität und Phasenbestand in Form von Platten bzw. Flachmembranen durch Nutzung drei verschiedener Technologien:

(1) Sol-Gel-Synthese,

(2) Erzeugung s.g. Controlled Porous Keramiken (CPK),

(3) durch anodische Oxidation gebildetes Aluminiumoxid (AAO).

Dazu ist die Übertragung der für α-Aluminiumoxid bereits entwickelten individuellen Routen auf das System Li2O-Na2O-Al2O3 (Sol-Gel, AAO) bzw. Li2O-Na2O-B2O3-Al2O3 (CPK) vorgesehen.

(II) Den zweiten Schwerpunkt stellt die Erzeugung von dichten β“-Aluminat Schichten durch eine neuartige Sol-Gel-Route unter Verwendung von Zitronensäure als Templat in Verbindung mit einer optimalen thermischen Nachbehandlung dar.

(III) Daran anschließend erfolgt die Entwicklung einer Technologie zur Herstellung offenporiger, einseitig verschlossener, poröser keramischer Dünnschichtelektrolyte (PKDE) durch Fügung der dichten Schichten und porösen Trägermaterialien jeweils aus β“-Aluminat. Im Ergebnis entsteht der neuartige mehrschichtige Elektrolyt auf Basis von porösem β”-Aluminat für Natrium-Ionen-Batterien als Hauptentwicklungsziel der Teilprojektvorhabens.

(IV) Die letzte Zielstellung im Teilprojektvorhaben der Universität Leipzig bildet - im Ergebnis der Zellentwicklung und elektrochemischen Charakterisierung beim Projektpartner Fraunhofer IKTS sowie eigener Erkenntnisse aus der Charakterisierung verschiedener anwendungsrelevanter textureller und struktureller Eigenschaften - die Auswahl des optimalen β“-Aluminat basierenden Trägersystems und daraus die Herstellung der so gennanten proof-of-concept-Elektrolyte.

Quartierspeicher und generell stationäre Batteriespeichersysteme sind wesentlicher Bestandteil in der erneuerbaren Energien-Landschaft. Quartierspeicher rentieren sich bei einer momentanen Einspeisevergütung von 12 ct kWh‑1 nur bei möglichst günstigen Kaufpreisen. Lithium-Ionen-Batterien werden zurzeit für 800 bis 1.600 € kWh‑1 angeboten und sind dadurch nicht wirtschaftlich darstellbar. Preise von < 400 € kWh 1 werden als Ziel genannt, um in annehmbaren Zeiträumen den return of invest zu ermöglichen. Nichtsdestotrotz steigt der Bedarf an Speichern mit zunehmendem Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland. Die eingeschränkte Verfügbarkeit und die Abbaubedingungen von z. B. Kobalt verstärken die Notwendigkeit nach Alternativen zu Li-Ionen Batterien. Für die Preisentwicklung bis 2030 wird kein Erreichen der kritischen Kostengrenze von 150 € kWh 1 prognostiziert. Na/NiCl2-Batterien können diese Energiedichte bei wesentlich niedrigerem Preis prinzipiell erreichen.

Es wird ein neuartiger, mehrschichtiger Separator bzw. Elektrolyt aus porösem ß”-Aluminat entwickelt. Dadurch sollen konventionelle Festelektrolyte mit Dicken im mm-Bereich, resultierenden hohen Wiederständen und limitierter Leistungsdichte der entsprechenden Batteriezellen substituiert werden. Batterien mit deutlich erhöhter Leistungsdichte werden so realisierbar. Insgesamt wird mit der geplanten Entwicklung ein Beitrag geleistet, um die konventionelle Hochtemperatur Na/NiCl2 Batterietechnologie in Richtung höhere Leistungen und/oder intermediate Temperatur zu bringen.